TiaSang
Thứ hai, Ngày 11 tháng 12 năm 2017
Đổi mới sáng tạo

Khám phá về cơ chế phân tử điều khiển đồng hồ sinh học đoạt Nobel Y học

03/10/2017 17:09 -

Giải Nobel Y học (2017) được trao cho ba nhà khoa học người Mỹ: Jeffrey Hall và Michael Rosbash – Đại học Brandeis (Waltham, Massachusetts) và Michael Young – Đại học Rockefeller (New York) cho những nghiên cứu phát hiện ra cơ chế phân tử điều khiển nhịp sinh học (circadian rhythms) của các sinh vật theo chu kỳ ngày đêm của trái đất.


Các nhà khoa học nhận giải Nobel y học (từ trái qua phải): Michael Young, Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash. Ảnh: Science

Họ khám phá ra cơ chế kết hợp hoạt động của các gene kiểm soát đồng hồ sinh học, mã hóa các protein tích lũy vào ban đêm và phân hủy vào ban ngày. Những năm gần đây, các nhà khoa học đã chứng minh được rằng đồng hồ sinh học - hiện diện ở thực vật, nấm, động vật nguyên sinh, động vật cao cấp và người - đóng vai trò quan trọng, không chỉ đối với giấc ngủ có chu kỳ mà còn với quá trình trao đổi chất và các chức năng của não bộ.

“Hoạt động điều hòa của đồng hồ sinh học cũng quan trọng và căn bản giống như sự hô hấp vậy”, Charalambos Kyriacou, nhà di truyền học phân tử tới từ Đại học Leicester (Anh) phát biểu. Chính bởi vì nó quá căn bản nên ngay cả những người nhận giải cũng cảm thấy bất ngờ.

Từ thế kỷ 18, người ta đã phỏng đoán về sự hiện diện của đồng hồ sinh học. Năm 1729, nhà thiên văn học Pháp Jean Jacques d'Ortous de Mairan đã làm thí nghiệm cho thấy, lá của cây Mimosa sẽ mở rộng khi bình minh và cụp vào lúc hoàng hôn, chu kì này được tiếp tục duy trì sau đó ngay cả khi cây được đặt trong bóng tối. Tuy nhiên, mãi tới thế kỷ 20, ý niệm về đồng hồ sinh học ở bên trong cơ thể – trái ngược với quan điểm tin vào ảnh hưởng của những nhân tố bên ngoài, như ánh sáng mới được làm sáng tỏ.

Cơ sở di truyền của một chu trình sinh lý thường nhật lần đầu tiên được phát hiện trên loài ruồi giấm vào những năm 1970. Hai nhà khoa học Seymour Benzer và Ronald Konopka của Viện Công nghệ California – Caltech (Pasadena) đã tạo ra những con ruồi đột biến có đồng hồ sinh học bất thường. Một dạng đột biến khiến đồng hồ sinh học bị hỏng - nhịp sinh học bị rối loạn - trong khi những dạng khác có chu kỳ hoạt động lên tới 19 hay 20 giờ. Benzer và Konopka chỉ ra rằng những đột biến này có lẽ đã gây ảnh hưởng lên cùng một loại gene, tuy nhiên theo những cách khác nhau. Họ và các nhà khoa học khác hướng đến một gene tạm đặt tên là period.

Năm 1984, Hall và Rosbash cuối cùng cũng giải mã được gene này, tiếp đó là Young. Hall và Rosbash phát hiện hàm lượng protein của gene này - gọi là PER - tăng lên và giảm xuống theo chu kỳ 24 giờ, đỉnh điểm là vào ban đêm. Điều này khiến họ nghi ngờ rằng đồng hồ sinh học được điều khiển bởi một vòng lặp tín hiệu phản hồi (feedback loop), với sự can thiệp của protein PER vào hoạt động của gene period. “Điều này khiến bạn vò đầu bứt tóc tự hỏi liệu đó có phải là sự thực”, Young chia sẻ kết quả này trên Science năm 1985 [1].

Để đồng hồ sinh học hoạt động, PER phải thâm nhập vào trong nhân. Young đã khám phá được điều này diễn ra như thế nào. Năm 1994, ông và đồng nghiệp đã phát hiện một gene thứ hai cũng tác động lên đồng hồ sinh học, gọi là timeless, gene này cho phép PER đi vào trong nhân để ngăn sự tổng hợp thêm các copy của gene period. Nghiên cứu này sau đó cũng được xuất bản trên Science [2].

Các nhà khoa học khác sau đó cũng tìm thấy nhiều gene khác có ảnh hưởng lên chu kỳ sinh học. Chẳng hạn, năm 1997, nhóm nghiên cứu của Joseph Takahashi – hiện công tác tại Đại học Texas ở Southwestern (Dallas) phát hiện ra cả gene periodtimeless đều được kích hoạt “bật” bởi chính đồng hồ sinh học. Trong vòng một năm, nhóm này cũng phát hiện ra vai trò then chốt khác của vòng lặp tín hiệu phản hồi: khi PER TIM (protein can thiệp vào hoạt động của gene timeless) đi sâu vào trong nhân, chúng cũng cản trở hoạt động của đồng hồ sinh học.       

Gene ảnh hưởng tới hoạt động của đồng hồ sinh học cũng ảnh hưởng mạnh mẽ lên hoạt động của hầu hết các gene khác, bằng cách này hay cách khác. Cơ chế duy trì nhịp sinh học cũng ảnh hưởng lên quá trình trao đổi chất – cách cơ thể sử dụng và tích trữ năng lượng - huyết áp, nhiệt độ cơ thể, sự viêm nhiễm hay hoạt động của não bộ. Chu kỳ ngày cũng gây ảnh hưởng tới hiệu quả sử dụng thuốc và những tác dụng phụ của thuốc. Sự không ăn khớp của đồng hồ sinh học với môi trường, như lệch múi giờ khi đi máy bay hay thay đổi ca trực, đã được chứng minh có liên quan đến những rối loạn tâm lý, thậm chí cả nguy cơ ung thư.

“Từ lúc các phát hiện khoa học đang còn trong giai đoạn phôi thai, những nghiên cứu về đồng hồ sinh học, của ba nhà khoa học được vinh danh, đã phát triển trở thành một lĩnh vực nghiên cứu rộng lớn và năng động, liên quan tới sức khỏe cũng như hạnh phúc của tất cả chúng ta” - theo thông cáo báo chí của Hội đồng trao giải Nobel 2017.

Được biết, số tiền thưởng cho giải Nobel năm nay sẽ là 9 triệu Kronor Thụy Điển (tương đương 1.1 triệu USD), tăng 12.5% so với 2016.

Thế Hải dịch

TS. Dương Quốc Chính (Trưởng khoa Di truyền và sinh học phân tử, Viện Huyết học truyền máu Trung ương) hiệu đính

Nguồn: http://www.sciencemag.org/news/2017/10/timing-everything-us-trio-earns-nobel-work-bodys-biological-clock

-----------

Chú thích:

[1] Gina Kotala (1985), Genes and Biological Clocks, Studies of genetic mutations in fruit flies reveal that a single gene may control circadian rhythms, Science 230 (4730), 1151-1152. DOI: 10.1126/science.230.4730.1151. Link: https://www.dropbox.com/s/s5eyztzzfbxpyxf/Genes%20and%20Biological%20Clocks.pdf?dl=0

[2] LB Vosshall et al. (1994), Block in nuclear localization of period protein by a second clock mutation, timeless. Science 18 Mar 1994: Vol. 263, Issue 5153, pp. 1606-1609; DOI: 10.1126/science.8128247. Link: http://science.sciencemag.org/content/263/5153/1606.long